CN111945752B - 一种适用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构，包括防水土工膜、排水槽、框架梁、锚杆和自适应变形控制模块，防水土工膜铺设在膨胀土边坡的坡面和坡顶上，膨胀土边坡的坡顶未铺设防水土工膜的区域和坡脚均开设有排水槽；框架梁设置于膨胀土边坡的坡面的防水土工膜上，锚杆设置于框架梁的交点处；自适应变形控制模块包括挡板、气腔、导气管、刚性连接块、高强弹簧和气阀。本发明在现有框架梁的格构间施加自适应变形控制模块，填充高压惰性气体的气腔与现有框架梁支护结构相结合来适应并控制膨胀土边坡任意形式的变形，避免传统框锚结构支护下的膨胀土边坡出现浅层滑裂面以及脱离框锚支护结构的问题，有效保证膨胀土边坡稳定性。

Description

一种适用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构
技术领域
本发明涉及膨胀土边坡支护技术领域，具体涉及一种适用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构。
背景技术
膨胀土是一种对水分十分敏感的特殊粘性土，具有遇水后迅速膨胀，失水后收缩干裂的可逆性特点。膨胀土在干燥情况下强度较高，而遇水后发生膨胀软化，强度大大降低。膨胀土在实际工程中是一种危害性极高的特殊土，膨胀土边坡失稳问题也引起了工程界的高度重视。对于膨胀土边坡，传统的锚杆框架梁支护结构并不能很好地保持其稳定性，尤其是其格构间裸露的膨胀土易产生较大的胀缩变形使得膨胀土边坡易发生浅层破坏或脱离框锚支护结构从而破坏框锚结构使得边坡失稳。鉴于此问题，专利号为201611081583.0的中国发明专利公开了一种膨胀土路堑边坡加筋土反压防渗支护结构，包括膨胀土路堑边坡，坡脚设置坡脚支挡结构，坡面设置土工膜防渗结构、加筋土坡面防护结构和锚杆体系，坡顶设置坡顶反压防渗结构；该支护结构能一定程度上提高膨胀土边坡的稳定性，但通过一段时间使用后会出现回填加筋土起拱开裂，时间一长边坡出现滑塌等问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种适用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构，避免传统框锚结构支护下的膨胀土边坡出现浅层滑裂面以及脱离框锚支护结构的问题，有效保持膨胀土边坡稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构，包括防水土工膜、排水槽、框架梁、锚杆和自适应变形控制模块，所述防水土工膜铺设在膨胀土边坡的坡面和坡顶上，所述膨胀土边坡的坡顶未铺设防水土工膜的区域和坡脚均开设有排水槽；所述框架梁设置于膨胀土边坡的坡面的防水土工膜上，所述框架梁的多个横梁和多个纵梁相互交叉设置形成多个呈矩形状的格构；所述横梁和纵梁的所有交点处各设有至少一个锚杆；所述框架梁的所有格构中各安装有一个自适应变形控制模块，所述自适应变形控制模块包括可拆卸地固定于框架梁上的挡板和适配设置于相应格构内防水土工膜上的气腔，所述气腔的左壁即其远离防水土工膜的壁面上设有与气腔连通的多根导气管和用于向气腔加气或者抽气的气阀，每根所述导气管内均设有将其内腔分隔成左右两个密闭气室的刚性连接块，所有刚性连接块与挡板之间均设有高强弹簧，所述高强弹簧一端固定在挡板上、另一端固定连接在刚性连接块上；多根导气管远离气腔一侧的气室之间通过连接管相互连通，以使各高强弹簧变形相同，降低挡板所受最大弹簧弹力，有效避免挡板因弹力过大而被破坏；所述气腔和多根导气管内均填充有高压惰性气体，以使气腔的右壁即其靠近防水土工膜的壁面能够始终与防水土工膜表面紧贴设置，且在初始状态下刚性连接块两侧的气压相等；所述刚性连接块在左右气体压力差作用下或高强弹簧的弹力作用下可沿导气管的轴向方向移动，从而达到控制膨胀土变形的效果。
进一步的，所述膨胀土边坡膨胀土的膨胀力为100～200kPa；所述气腔和多根导气管内所填充的惰性气体的气压为200～300kPa，所述惰性气体为氦气。
进一步的，所述气腔的右壁由可任意变形的高强材料制成，所述气腔的侧壁和左壁均采用不可变形的高强材料制成，使得气腔在受膨胀土边坡变形挤压时其内部的气体只于导气管内流动。
进一步的，所述导气管的管壁由不可变形的高强材料制成；所述刚性连接块与所述导气管的内壁密封接触并能沿所述导气管轴向移动。
进一步的，所述导气管与气腔之间、所述导气管与所述连接管之间以及所述导气管的末端与导气管的侧壁之间均采用圆弧过渡连接。
进一步的，所述框架梁和挡板均为混凝土结构，所述刚性连接块为周边设有密封圈的钢块体。
进一步的，所述气腔的左壁面和右壁面平行，即气腔整体呈扁平长方体结构，多根导气管的长度方向均设置为与气腔的左壁面和右壁面垂直。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的框锚支护结构，在传统锚杆框架梁支护结构的格构间设置自适应变形控制模块，自适应变形控制模块将填充高压惰性气体的气腔与传统锚杆框架梁支护结构相结合来适应膨胀土边坡任意形式的变形，当膨胀土边坡发生任意形式的变形时，气腔右侧壁能紧紧贴住膨胀土边坡表面；气腔与高强弹簧通过导气管相连，当膨胀土发生胀缩变形时气腔中的惰性气体推动弹簧发生变形，从而达到控制膨胀土变形的效果；导气管和惰性气体将膨胀土边坡任意形式的变形转化为直线变形，与高强弹簧只能发生线性变形的特征相契合；由于采用的是高压的惰性气体，在高强弹簧弹性势能的作用下刚性连接块重新达到平衡时气腔右侧表面依然能紧紧贴住膨胀土边坡表面，不会产生间隙。本发明能有效抑制膨胀土边坡变形，避免传统框锚结构支护下的膨胀土边坡出现浅层滑裂面以及脱离框锚支护结构的问题，提高了边坡锚杆框架梁支护的膨胀土边坡的稳定性。
(2)、本发明的框锚支护结构中，自适应变形控制模块采用装配式的方法安装在传统锚杆框架梁支护结构上，便于拆卸后的调整维修以及更换。
(3)、本发明的框锚支护结构，当使用达到一定周期后，通过气阀向气腔加气或者抽气的方式将刚性连接块左右的气压调节平衡使得高强弹簧处于原始位置从而使得该自适应变形控制模块能周期性的长久使用。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构的示意图；
图2是图1中自适应变形控制模块的A-A剖面示意图；
其中：1-防水土工膜，2-膨胀土边坡，3-排水槽，4-框架梁，5-锚杆，6-自适应变形控制模块，6.1-挡板，6.2-气腔，6.3-导气管，6.4-刚性连接块，6.5-高强弹簧，6.6-气阀，6.7-螺钉，6.8-连接管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，一种用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构，包括防水土工膜1、排水槽3、框架梁4、锚杆5和自适应变形控制模块6；具体结构如下：
防水土工膜1铺设在膨胀土边坡2的坡面和坡顶上，膨胀土边坡2的坡顶未铺设防水土工膜1的区域和坡脚均开设有排水槽3。框架梁4包括多根平行设置的横梁和多根平行设置的纵梁，多根横梁和多根纵梁相互交叉设置形成多个呈矩形状的格构；框架梁4设置于膨胀土边坡2的坡面的防水土工膜1之上，并通过锚杆5固定于膨胀土边坡后基岩上；横梁和纵梁的所有交点处各设有至少一个锚杆5。框架梁4为混凝土结构，锚杆5为一端连接于框架梁1的交点处、另一端锚固于膨胀土边坡2后基岩中的钢筋。
结合图2所示，框架梁4的所有格构中各安装有一个自适应变形控制模块6，自适应变形控制模块包括挡板6.1、气腔6.2、导气管6.3、刚性连接块6.4、高强弹簧6.5和气阀6.6，挡板6.1通过螺钉6.7可拆卸地固定于框架梁4上，气腔6.2设置于相应格构内且其四周壁与格构内壁相接触，气腔的左壁即其远离防水土工膜的壁面上设有与气腔6.2连通的多根导气管6.3和用于向气腔6.2加气或者抽气的气阀6.6，每根导气管内均设有将其内腔分隔成左右两个密闭气室的刚性连接块6.4，所有刚性连接块与挡板之间均设有一个高强弹簧6.5，高强弹簧一端固定在挡板上、另一端固定连接在刚性连接块上；也就是说，高强弹簧与刚性连接块相连的一端要从导气管的末端***导气管内部，且高强弹簧还要实现与导气管的末端密封滑动连接。气腔和多根导气管内均填充有高压惰性气体，且在初始状态下刚性连接块6.4两侧的气压相等；刚性连接块6.4在左右气体压力差作用下或高强弹簧6.5的弹力作用下可沿导气管6.3的轴向方向移动。多根导气管6.3远离气腔6.2一侧的气室之间通过连接管相互连通，从而控制各高强弹簧6.5变形相同，降低挡板6.1所受最大弹簧弹力，有效避免挡板因弹簧弹力过大而被破坏。挡板6.1通过螺钉6.7可拆卸地固定于框架梁4上，采用装配式的自适应变形控制模块，将框锚支护结构作为反力装置，有效抵抗膨胀土边坡的胀缩变形，并且装配式结构便于拆卸维修以及更换安装。
在一种具体的实施方式中，由于膨胀土的膨胀力大多为100～200kPa，故填充的惰性气体的初始气压设为2～3个标准大气压，从而对膨胀土的膨胀变形有效抑制。具体地，气腔6.2和多根导气管6.3内所填充的惰性气体的气压为200～300kPa，惰性气体为氦气。
在一种具体的实施方式中，气腔6.2的右壁由可任意变形的高强材料制成，以适应膨胀土边坡任意形式的变形并便于膨胀土边坡变形时的气腔变形，且保持其始终贴合膨胀土边坡表面。气腔的侧壁和左壁均采用不可变形的高强材料制成，使得气腔内气体只于导气管内流动。可任意变形的高强材料可以用延展性、韧性好的高强塑料，例如高强pvc膜；不可变形的高强材料可以用钢、铁等金属，也可以用例如PEEK等强度高的工程塑料。
在一种具体的实施方式中，导气管6.3的管壁由不可变形的高强材料制成；刚性连接块6.4与导气管6.3的内壁密封接触并能沿导气管轴向移动。优选的刚性连接块6.4为周边设有密封圈的钢块体。该结构采用填充高压惰性气体的气腔来适应膨胀土边坡任意形式的变形，当膨胀土边坡发生任意形式的变形时，气腔内的气体于导气管内发生流动，从而带动高强弹簧压缩或拉伸产生弹性抗力，从而增强框锚结构对于膨胀土边坡的支护性能，保持膨胀土边坡稳定性。
在一种具体的实施方式中，导气管6.3与气腔之间、两个导气管6.3与连接管6.8之间以及导气管6.3的末端与导气管6.3的侧壁之间均采用圆弧过渡连接，避免此处压强过大而破坏和漏气。并且上述圆弧过渡结构均采用不可变形的高强塑料材料。
在一种具体的实施方式中，当膨胀土边坡有胀缩变形趋势时，气腔与膨胀土边坡接触的右侧表面形状发生改变，从而气腔体积发生变化，根据理想气体定律pV＝nRT，刚性连接块右侧的气压发生变化。刚性连接块两侧气压不平衡导致气腔内的气体于导气管内发生流动，从而带动高强弹簧压缩或拉伸。其后在弹性势能的作用下刚性连接块重新达到平衡，气腔右壁依然能紧紧贴住膨胀土边坡表面，不会产生间隙。
在一种具体的实施方式中，当膨胀土变形次数较多后，高强弹簧并非处于原始位置，故而可以通过将自适应变形控制模块6拆卸下来，并通过气阀向气腔加气或者抽气的方式将刚性连接块左右的气压调节平衡，使得高强弹簧处于原始位置从而使得该自适应变形控制模块能多次重复长久使用。
在一种具体的实施方式中，自适应变形控制模块6结构被框架梁和挡板包裹住以免受到外部干扰，延长其使用寿命。
在一种具体的实施方式中，防水土工膜1和排水槽3切断了膨胀土边坡与水的联系，从源头上控制边坡变形。
在一种具体的实施方式中，气腔的左壁面和右壁面平行，即气腔整体呈扁平长方体结构，多根导气管6.3的长度方向均设置为与气腔的左壁面和右壁面垂直。或者，气腔的左壁面和右壁面不平行，只要右壁面紧贴在边坡表面上的，导气管垂直于膨胀土边坡的坡面即可。
本发明一种用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构的施工步骤进行说明：
1)对工程场地进行岩土工程勘察，根据设计要求确定锚杆框架梁结构的设计尺寸。
2)确定自适应变形控制模块6、防水土工膜1和排水槽3的设计尺寸和空间位置，确定氦气的选用密度、高强弹簧6.5的选用刚度等力学参数。
3)铺设防水土工膜1并开挖好排水槽3。
4)待防水土工膜1铺设好后预制并安装框架梁4、锚杆5以及于格构间通过螺栓6.7安装自适应变形控制模块6。
本发明的框锚支护结构，当膨胀土边坡产生胀缩变形趋势时，气腔内的气体于导气管内发生流动，从而带动高强弹簧压缩或拉伸产生弹性抗力，从而增强支护结构对于膨胀土边坡的支护性能，有效抑制膨胀土边坡变形，避免传统框锚结构支护下的膨胀土边坡出现浅层滑裂面以及脱离框锚支护结构的问题，保持膨胀土边坡稳定性。本发明采用填充高压惰性气体的气腔来适应膨胀土边坡任意形式的变形，当膨胀土边坡发生任意形式的变形时，气腔右壁能紧紧贴住膨胀土边坡表面；导气管和惰性气体将膨胀土边坡任意形式的变形转化为直线变形，与高强弹簧只能发生线性变形的特征相契合；其后在高强弹簧弹性势能的作用下刚性连接块重新达到平衡，由于采用的是大于标准大气压的高压惰性气体，高强弹簧复位后气腔右壁依然能紧紧贴住膨胀土边坡表面，不会产生空隙；通过气阀向气腔加气或者抽气的方式将刚性连接块两侧的气压调节平衡，使得高强弹簧处于原始位置从而使得该支护结构能长久使用；多根导气管远离气腔一侧的气室之间相互连通，从而使得各高强弹簧的弹力相同，降低挡板所受最大弹簧弹力，有效避免挡板因弹簧弹力过大而破坏；采用装配式的自适应变形控制模块，将框锚支护结构作为反力装置，有效抵抗膨胀土边坡的胀缩变形，并且装配式结构便于拆卸维修以及更换安装。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构，其特征在于，包括防水土工膜(1)、排水槽(3)、框架梁(4)、锚杆(5)和自适应变形控制模块(6)，所述防水土工膜(1)铺设在膨胀土边坡(2)的坡面和坡顶上，所述膨胀土边坡(2)的坡顶未铺设防水土工膜(1)的区域和坡脚均开设有排水槽(3)；所述框架梁(4)设置于膨胀土边坡(2)的坡面的防水土工膜(1)上，所述框架梁(4)的多个横梁和多个纵梁相互交叉设置形成多个呈矩形状的格构；所述横梁和纵梁的所有交点处各设有至少一个锚杆(5)；所述框架梁(4)的所有格构中各安装有一个自适应变形控制模块(6)，所述自适应变形控制模块(6)包括可拆卸地固定于框架梁(4)上的挡板(6.1)和适配设置于相应格构内防水土工膜(1)上的气腔(6.2)，所述气腔的左壁即其远离防水土工膜(1)的壁面上设有与气腔(6.2)连通的多根导气管(6.3)和用于向气腔(6.2)加气或者抽气的气阀(6.6)，每根所述导气管内均设有将其内腔分隔成左右两个密闭气室的刚性连接块(6.4)，所有刚性连接块(6.4)与挡板(6.1)之间均设有高强弹簧(6.5)，所述高强弹簧(6.5)一端固定在挡板(6.1)上、另一端固定连接在刚性连接块(6.4)上；多根导气管(6.3)远离气腔(6.2)一侧的气室之间通过连接管(6.8)相互连通，以使各高强弹簧(6.5)变形相同，降低挡板(6.1)所受最大弹簧弹力，有效避免挡板(6.1)因弹力过大而被破坏；所述气腔(6.2)和多根导气管(6.3)内均填充有高压惰性气体，以使气腔(6.2)的右壁即其靠近防水土工膜(1)的壁面能够始终与防水土工膜(1)表面紧贴设置，且在初始状态下刚性连接块(6.4)两侧的气压相等；所述刚性连接块(6.4)在左右气体压力差作用下或高强弹簧(6.5)的弹力作用下可沿导气管(6.3)的轴向方向移动，从而达到控制膨胀土变形的效果。
2.根据权利要求1所述的框锚支护结构，其特征在于，所述膨胀土边坡(2)膨胀土的膨胀力为100～200kPa；所述气腔(6.2)和多根导气管(6.3)内所填充的惰性气体的气压为200～300kPa；所述惰性气体为氦气。
3.根据权利要求1所述的框锚支护结构，其特征在于，所述气腔(6.2)的右壁由可任意变形的高强材料制成，所述气腔的侧壁和左壁均采用不可变形的高强材料制成，使得气腔(6.2)在受膨胀土边坡(2)变形挤压时其内部的气体只于导气管(6.3)内流动。
4.根据权利要求1所述的框锚支护结构，其特征在于，所述导气管(6.3)的管壁由不可变形的高强材料制成；所述刚性连接块(6.4)与所述导气管(6.3)的内壁密封接触并能沿所述导气管轴向移动。
5.根据权利要求1所述的框锚支护结构，其特征在于，所述导气管(6.3)与气腔之间、所述导气管(6.3)与所述连接管(6.8)之间以及所述导气管(6.3)的末端与导气管(6.3)的侧壁之间均采用圆弧过渡连接。
6.根据权利要求1所述的框锚支护结构，其特征在于，所述框架梁(4)和挡板(6.1)均为混凝土结构，所述刚性连接块(6.4)为周边设有密封圈的钢块体。
7.根据权利要求1所述的框锚支护结构，其特征在于，所述气腔的左壁面和右壁面平行，即气腔整体呈扁平长方体结构，多根导气管(6.3)的长度方向均设置为与气腔的左壁面和右壁面垂直。
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